聚合物對(duì)火山渣輕集料混凝土性能的影響

范 雪 張 亮

(1：吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130114； 2：中交一公司第七工程有限公司，鄭州 451450)

0 引言

輕集料混凝土作為我國(guó)混凝土用量?jī)H少于普通混凝土的一種建筑節(jié)能材料，它具有普通混凝土所不具備的眾多優(yōu)良性能[1-2].由于輕集料混凝土的自重小、保溫隔熱、耐火抗震等特點(diǎn)，使其具有突出的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，擁有廣闊的發(fā)展前景.目前，輕集料混凝土已在普通民用和工業(yè)建筑方面以及大跨度橋梁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3-5].火山渣在我國(guó)吉林省的儲(chǔ)量相當(dāng)大，它可以用來(lái)生產(chǎn)火山渣混凝土，表觀密度能夠達(dá)到800kg/m3～1 800kg/m3，且與陶?；炷料啾葍r(jià)格低廉.本試驗(yàn)研究的意義在于，為改善火山渣輕集料混凝土的使用性能，向其摻加適量聚合物，對(duì)其進(jìn)行改性研究[6-8].

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

水泥:本試驗(yàn)使用吉林亞泰鼎鹿牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥;火山渣:來(lái)自吉林省通化市輝南縣.火山渣的主要性質(zhì)見表1,微觀結(jié)構(gòu)見圖1;粉煤灰:本試驗(yàn)使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰;減水劑:萘系高效減水劑,減水率為20%;聚合物:本試驗(yàn)使用45%固含量的BC-991苯丙乳液;水:普通自來(lái)水.

表1 火山渣相關(guān)參數(shù)Table 1 Cinder related parameters

圖1 掃描電子顯微鏡下的火山渣結(jié)構(gòu)Fig.1 Scanning electron microscopy of cinder structures

1.2 配合比

火山渣輕集料混凝土的基本配合比是在滿足混凝土的基本力學(xué)性能及和易性的基礎(chǔ)上，兼顧實(shí)際經(jīng)濟(jì)適用性調(diào)整確定的.制備火山渣輕集料混凝土的固態(tài)原材料都處于無(wú)水狀態(tài).

火山渣輕集料混凝土采用聚合物改善自身使用性能的研究是在基本配合比的基礎(chǔ)上改變聚合物摻量，得到在聚合物摻量變化的情況下，火山渣輕集料混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度和吸水率的變化結(jié)果.同時(shí)觀測(cè)未摻入聚合物和摻入聚合物的火山渣輕集料混凝土的抗?jié)B性、抗凍性及導(dǎo)熱性的變化情況.摻入聚合物的質(zhì)量依次占水泥質(zhì)量的0,1%,2%,5%,10%,15%,20%.

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中使用JES-2000A型壓力試驗(yàn)機(jī)和DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)來(lái)分別測(cè)定火山渣輕集料混凝土的3d和28d齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，測(cè)定的方法要符合混凝土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50081-2002)的要求，試驗(yàn)所用的試件規(guī)格為:抗壓試件100mm×100mm×100mm，抗折試件40mm×40mm×160mm.試驗(yàn)中采用試件規(guī)格為100mm×100mm×100mm的立方體試件進(jìn)行吸水率和抗凍性的測(cè)定，抗凍性試驗(yàn)使用40FDS-500型凍融試驗(yàn)機(jī)按照混凝土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50082-2009)進(jìn)行測(cè)定.火山渣輕集料混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)采用直徑100mm、高50mm的圓柱體制備試件，使用石蠟對(duì)試件側(cè)面進(jìn)行密封處理后放入NEL-VJ型混凝土滲透儀中進(jìn)行抗氯離子滲透性能試驗(yàn).測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)采用的試件規(guī)格為300mm×300mm×30mm，待試件脫模后放置于105℃烘箱中烘干至恒重，使用CD-DR3030B型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定.試驗(yàn)中微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)使用KYKY-2800B型掃描電子顯微鏡.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 基本力學(xué)強(qiáng)度

摻加聚合物后火山渣輕集料混凝土基本力學(xué)強(qiáng)度的變化,見圖2，圖3.

圖2 摻加聚合物后抗壓強(qiáng)度的變化Fig.2 Variation of compressive strength after adding polymer

圖3 摻加聚合物后抗折強(qiáng)度的變化Fig.3 Variation of flexural strength after adding polymer

由圖2，圖3可以看出，火山渣輕集料混凝土的3d抗壓強(qiáng)度和3d抗折強(qiáng)度都隨聚合物摻量的遞增而不斷減小.而28d抗壓強(qiáng)度和28d抗折強(qiáng)度則是呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并且聚合物的最佳摻量為10%.

向火山渣輕集料混凝土中摻入聚合物的量逐漸增大之后，可以看出火山渣輕集料混凝土3d的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度呈不斷下降趨勢(shì).這是由于火山渣輕集料混凝土中水泥發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)生成大量的水化產(chǎn)物，而一定量的聚合物被摻入到火山渣輕集料混凝土中后，聚合物乳液中小分子隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸聚集在水泥發(fā)生水化反應(yīng)后生成的產(chǎn)物表面，當(dāng)數(shù)量聚集到一定程度，這些小分子顆粒便會(huì)絮凝形成聚合物薄膜，將水泥和水化產(chǎn)物顆粒包裹，阻礙水化反應(yīng)的進(jìn)行，使混凝土出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象，早期的抗壓、抗折強(qiáng)度降低.

向火山渣輕集料混凝土中摻加聚合物的量逐漸增大之后，可以看出火山渣輕集料混凝土28d的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的變化，并且聚合物的最佳摻量為10%.

分析其原因，隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，導(dǎo)致自由水逐漸減少，聚合物自身連同拌合料中各類形態(tài)的物質(zhì)聯(lián)結(jié)成膜，從而火山渣與周圍產(chǎn)物的粘結(jié)性得到增強(qiáng)，火山渣混凝土的力學(xué)性能也得到了較大的改善.由于聚合物乳液中小分子的表面存在一定量的活性劑，間接起到引氣的作用，當(dāng)火山渣輕集料混凝土中摻加的聚合物量過(guò)高時(shí)，如同向混凝土中引入了過(guò)量氣泡，便會(huì)降低火山渣輕集料混凝土的結(jié)構(gòu)密實(shí)度，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能下降.

2.2 吸水率

圖4 摻加聚合物后吸水率的變化Fig.4 Variation of water absorption after adding polymer

火山渣輕集料混凝土的吸水率通過(guò)聚合物改性之后的試驗(yàn)結(jié)果見圖4所示.

根據(jù)上述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過(guò)改變聚合物的摻量，火山渣輕集料混凝土的吸水率受到了較大的影響.當(dāng)摻入聚合物的量逐漸增加后，混凝土的吸水率發(fā)生先下降后上升的改變，并且在聚合物的摻量為10% 時(shí)，吸水率出現(xiàn)最低值.

分析其原因，一方面適量的聚合物可以在火山渣輕集料混凝土中形成包裹其他物相的聚合物網(wǎng)膜，使界面過(guò)渡區(qū)的粘結(jié)性得到很大提高，而結(jié)構(gòu)的孔隙率大大降低；另一方面，聚合物起到了減少大毛細(xì)孔、增加小毛細(xì)孔、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的作用，進(jìn)一步降低吸水率.但摻入聚合物的量若過(guò)多，則會(huì)引入過(guò)量的氣泡，導(dǎo)致混凝土密實(shí)度下降，氣泡形成連通孔，吸水率再次上升.

2.3 抗?jié)B性

聚合物改性火山渣輕集料混凝土抗?jié)B性的研究是通過(guò)氯離子抗?jié)B對(duì)比試驗(yàn)得出結(jié)論.對(duì)比組一組取基本配合比，另一組則是在基本配合比的基礎(chǔ)上，摻入10%水泥質(zhì)量的聚合物.試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 改性輕集料混凝土抗?jié)B性Table 2 The permeability resistance of modified lightweight aggregate concrete

通過(guò)對(duì)比組的試驗(yàn)結(jié)果可以看出聚合物能夠起到提高輕集料混凝土抗?jié)B性的作用.原因是聚合物乳液中小分子的表面存在一定量的活性劑,引入了少量的封閉微氣泡,起到了阻斷毛細(xì)管的作用,從而提高了抗?jié)B性能.

2.4 抗凍性

聚合物改性火山渣輕集料混凝土抗凍性的研究同樣是通過(guò)抗凍對(duì)比試驗(yàn)得出結(jié)論.采用的試驗(yàn)方案與抗?jié)B試驗(yàn)類似,試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 摻加聚合物后抗凍性的變化Table 3 Variation of frost resistance after adding polymer

由表3可以看出,摻加了適量聚合物的輕集料混凝土在吸水率降低、抗?jié)B性提高的情況下,抗凍性能也隨之得到了很大的改善.

2.5 導(dǎo)熱系數(shù)

聚合物改性火山渣輕集料混凝土導(dǎo)熱性能的研究是在基本配合比的基礎(chǔ)上,摻入1%水泥質(zhì)量的聚合物,與基本配合比的火山渣輕集料混凝土進(jìn)行導(dǎo)熱性能對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 改性輕集料混凝土導(dǎo)熱性能Table 4 Thermal conductivity of modified lightweight aggregate concrete

從試驗(yàn)結(jié)果能夠看到,摻加聚合物與未摻加聚合物的火山渣輕集料混凝土相比,導(dǎo)熱系數(shù)有所減小,說(shuō)明聚合物具有改善火山渣輕集料混凝土熱工性能的作用.原因也是由于在火山渣混凝土中摻入適量聚合物后引入了少量的封閉微氣泡,而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)小,因此降低了導(dǎo)熱系數(shù).

2.6 SEM分析

(1) 掃描電子顯微鏡下改性火山渣混凝土的結(jié)構(gòu)見圖5. 通過(guò)掃描電子顯微鏡可以清晰地看到,摻入適量聚合物后火山渣輕集料混凝土增大了界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度,優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu),改善了使用性能.

圖5 聚合物改性火山渣混凝土的界面區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.5 Polymer modified the interface structure of cinder concrete

圖6 聚合物于混凝土中的存在形態(tài)Fig.6 The existence of polymer in concrete

(2) 聚合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)見圖6. 由于聚合物在火山渣輕集料混凝土中與水泥水化產(chǎn)物相互交織在一起,所以為了更好地觀察聚合物存在于火山渣輕集料混凝土中的形態(tài)結(jié)構(gòu),應(yīng)采用稀鹽酸和無(wú)水乙醇對(duì)試樣處理后鍍金膜進(jìn)行觀測(cè).從掃描電子顯微鏡中能夠看到聚合物于火山渣混凝土中的存在形態(tài),聚合物能夠較好地成膜,改善了火山渣輕集料混凝土的性能.

3 結(jié)論

(1) 向火山渣輕集料混凝土中摻入聚合物會(huì)使早期抗壓和抗折強(qiáng)度減小，后期抗壓和抗折強(qiáng)度則出現(xiàn)先增大后減小的變化，且最佳摻量為10%.

(2) 火山渣輕集料混凝土的吸水率隨聚合物摻量的增加出現(xiàn)先下降后上升的改變，且在聚合物的摻量為10% 時(shí)，吸水率出現(xiàn)最低值.

(3) 摻入適量聚合物的火山渣輕集料混凝土的抗?jié)B性和抗凍性得到了很大的改善.

(4) 適量聚合物具有改善火山渣輕集料混凝土熱工性能的作用.

(5) 通過(guò)對(duì)改性后的火山渣輕集料混凝土進(jìn)行SEM分析，觀察到其微觀結(jié)構(gòu)比改性前更為致密.